(57)【要約】【課題】複数色の単色光を使用する光ピックアップ装置などに使用する場合に、これら複数色の単色光では回折効率が充分良好になった光学素子を提供する。【解決手段】光学素子は、複数の単色光を屈折させるための回折面を複数有し、少なくとも2種類の分散の異なる材質からなる積層された複数の回折格子24、25、27、28を有する。複数の回折格子は等しいピッチ分布を有し、対応する部位が対向して形成されている、複数の単色光について、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率を、複数の単色光以外の他の波長域での回折効率は考慮しないで、所定値以上に高めている。【選択図】図2
2007122828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単色光を屈折させるための回折面を複数有した光学素子であって、少なくとも2種類の分散の異なる材質からなる積層された複数の回折格子を有し、該複数の回折格子は等しいピッチ分布を有し、対応する部位が対向して形成されており、前記複数の単色光について、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率を、複数の単色光以外の他の波長域における回折効率は考慮しないで、所定値以上に高めたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記複数の単色光は青色レーザ光、赤色レーザ光及び赤外レーザ光であり、
青色レーザ光の波長をλ1、赤色レーザ光の波長をλ2、赤外レーザ光の波長をλ3、波長λにおける第1の材質の屈折率をn1（λ）、波長λにおける第2の材質の屈折率をn2（λ）、青色レーザ光使用時の回折次数をm1、赤色レーザ光使用時の回折次数をm2、赤外レーザ光使用時の回折次数をm3、積層される第1の材質の換算アッベ数νを下の式で表わされるものとするとき、
2007122828.tif 000009
第2の材質の格子厚dを上の式で表わされるものとすることにより前記複数の単色光において、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率がピーク値をとるようにしたことを特徴とする請求項1記載の光学素子。
【請求項３】
複数の単色光を屈折させるための1つの回折面を有した光学素子であって、
第1の波長の単色光結像時の使用回折次数をm1、第2の波長の単色光結像時の使用回折次数をm2、第3の波長の単色光結像時の使用回折次数をm3、第1の波長をλ1、第2の波長をλ2、第3の波長をλ3をとするとき、
2007122828.tif 000010
の両式を満たすことにより前記複数の単色光において、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率がピーク値をとるようにし、更に前記複数の単色光について、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率を、複数の単色光以外の他の波長域における回折効率は考慮しないで、所定値以上に高めたことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
前記第1の波長の単色光は青色レーザ光、第2の波長の単色光は赤色レーザ光、第3の波長の単色光は赤外レーザ光であり、
光学素子の材質の波長λ1における屈折率をn1、波長λ2における屈折率をn2、波長λ3における屈折率をn3として、
換算アッベ数νを下の１番目の式で定義するとき
2007122828.tif 000011
上の2番目の式となる材質を使用したことを特徴とする請求項3記載の光学素子。
【請求項５】
前記所定値は70パーセントであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記複数の単色光は青色レーザ光、赤色レーザ光及び赤外レーザ光であり、
各色のレーザ光は1種類の光ディスクの保護層の厚みに対応し、少なくとも2色のレーザ光については異なる厚みの保護層に対応して、保護層を通って所定面に集光される様に形成されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記使用回折次数は、夫々、複数の単色光において異なる次数となっていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光学素子。
【請求項８】
いずれかの面は異なる非球面係数及び異なる光路差関数係数で表される複数の回折面領域を有していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光学素子。
【請求項９】
少なくとも2つの異なる色の光束については異なるNA（開口数）により光スポットを形成する様に形成されたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光学素子。
【請求項１０】
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光学素子を、光ピックアップ用の結像光学素子または光束をコリメ-ト光束とするコリメータ光学素子として使用したことを特徴とする光ピックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護層の厚さが異なる複数種類の光ディスクに対する記録／再生が可能な光ヘッドに使用される高NA(開口数)の対物レンズなどの光学素子に関する。特に、屈折レンズのレンズ面に回折レンズ構造が形成された対物レンズ、レーザ光を屈折させることでコリメ-ト光束にするコリメータレンズなどの回折面を有する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ピックアップ装置は、CDディスクに対応して、赤外レーザ光をディスク上に集光することで記録/再生を行うCD-ROM、CD-RWが製品化されてきた。また、最近はDVDディスクとCDディスクの両方に対応して、DVD用には赤色レーザ光、CD用には赤外レーザ光を使用した光ピックアップ装置が製品化されている。さらに最近は、ブルーのレーザ光を使用することで記録密度を高めたBlu-ray規格やHD-DVD規格に対応した光ピックアップ装置が実用化されている。
【０００３】
しかし、現状においては、3種類のメディアに1つの対物レンズで対応した光ピックアップ装置はまだ市販されていない。この理由としては、次のことがある。1つの理由としては、3種類のメディアは異なる規格に基づいて作成されており、光ディスクの保護層の厚みもCDが1．2mm、DVDが0．6mm、Blu-rayが0．1mm、HD-DVDが0．6mmとなっていることがある。他の理由としては、異なる波長のレーザ光にそれぞれ異なるNAにて対応する必要があることなどがあり、開発上の課題が多いからである。
【０００４】
この異なる保護層の厚みに対応するために、対物レンズを光軸方向に移動させれば、近軸的な集光位置を移動させることは出来る。しかし、保護層の厚さが変化すると球面収差が変化するため、単に対物レンズを移動させるのみではレーザ光の波面が乱れ、スポットを必要な径に収束させることができず、情報の記録／再生が不可能となる。例えば、DVDの使用時に球面収差が補正されるよう設計された対物レンズをCDの再生に利用すると、対物レンズを光軸方向に移動させることで近軸的な集光位置を記録面に一致させたとしても、球面収差がオーバーになり、情報の再生は不可能となる。
【０００５】
そこで、保護層の厚さに応じて各光ディスクに適したレーザ光を対物レンズに入射させる光学系が、従来から知られている。例えば、１つの提案例では、対物レンズの手前にホログラムレンズを設けて単一の半導体レーザから発したレーザ光を0次光と1次光とに分離する。そして、平行光である0次光により保護層の薄い光ディスク用のスポットを形成し、発散光である1次光により保護層の厚い光ディスク用のスポットを形成する技術が提案されている（特許文献1参照）。この光学系によれば、保護層の厚さに応じて最適なレーザ光が得られるようホログラムレンズを設計することにより、球面収差の発生を抑え、夫々の光ディスクについて回折限界性能を有するスポットを得ることが出来る。
【０００６】
また、他の提案例では、CDでは波長780nmのレーザ光、DVDでは波長650nmのレーザ光と波長の違いに着目して回折格子を形成した面を設けることで、2つのメディアに対応した光ピックアップ用の対物レンズが開示されている（特許文献2参照）。この提案例においては、夫々の波長で1次回折光を使用することにより複数のメディアに対応することが出来るが、波長による回折効率の悪化については考慮されていない。
【０００７】
この回折効率の波長に依存する悪化について、以下に説明する。図15に、1つの層より成る回折格子を設けた回折光学素子を光学系中の或る面に形成した場合の特定の回折次数に対する回折効率の特性を示す。図15で、横軸は波長を表し、縦軸は回折効率を表している。この回折光学素子は、1次の回折次数（その回折効率を符号211で示す）において、使用波長領域で最も回折効率が高くなる様に設計されている。すなわち、図15では、設計次数は1次となっている。さらに、図15には、設計次数近傍の回折次数（1次±1次の0次光と2次光、及び3次光）の回折効率も併せて表示してある。0次光、2次光、及び3次光の回折効率は、夫々、符号212、213、214で示してある。
【０００８】
一般に、回折効率は、格子の山と谷の光路長の差が波長の整数倍となった時に最大となる。この最大となる回折効率を式で示すと、空気中の波長λにおける屈折率がn(λ)の材質により作成された回折格子の回折効率η(λ)は、dを格子厚、mを回折次数としたとき、次の式（1）で表される。
【０００９】
【数１】
2007122828.tif 000003
【００１０】
図15のグラフからも分かる様に、設計次数（1次）では回折効率211は、或る波長（以下「設計波長」と言う）で最も高くなりそれ以外の波長では徐々に低くなる。この設計次数での回折効率の低下分は、他の次数の回折光となる。また、回折光学素子を複数枚使用した場合には、特に、設計波長以外の波長での回折効率の低下は光利用効率の低下にも繋がる。
【００１１】
特に赤外と赤色のレーザ光の2波長に対応したピックアップにおいては、比較的に効率の悪化は小さかった。しかし、ブルーレーザ光まで使用することを想定すると、回折効率の悪化による光量利用効率の悪化が課題となる。図15では、使用波長域の両端の波長405nmと780nmにおいて回折効率の悪化が同じ値となる様にバランスさせることで、使用波長域における回折効率の悪化を一応小さく抑えている。それにも係らず、1面あたり32％の回折効率の悪化が発生する。
【００１２】
この回折効率の低下を抑制できる構成が、更に他の提案例に開示されている（特許文献3、4参照）。特許文献3に提示された構成は、図16に示した様に2つの層311、312が重ね合わされてその境界に回折格子面321が設けられた断面形状を持つ。
【００１３】
一方、特許文献4に提示された構成は、図17に示した様に3つの層411、412、413が3層に重ね合わされた格子構造を持ち、2つの境界に設けられた回折格子面421、422で挟まれて層412が形成された構成である。この回折光学素子は、各材料の境界面に回折格子面421、422を形成し、境界の前後の層の材質の屈折率差と格子溝の深さd1、d2を最適化することなどにより、高い回折効率を実現している。
【特許文献１】特開平7-98431号公報
【特許文献２】特開2000-081566号公報
【特許文献３】特開平9-127321号公報
【特許文献４】特開平9-127322号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図16や図17の従来例においては、可視域全域における回折効率を改善しないと不要回折光が撮像画像等を悪化させるために、可視域全域における回折効率の改善が必要であるとして、その様に設計していた。しかしながら、波長405nm、650nm、780nmに亘る広い幅において回折効率の充分な改善を図ることは難しく、特に波長領域の両端部において回折効率の悪化が発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題に鑑み、本発明の光学素子は、複数の単色光を屈折させるための回折面を複数有し、少なくとも2種類の分散の異なる材質からなる積層された複数の回折格子を有する。前記複数の回折格子は等しいピッチ分布を有し、対応する部位が対向して形成されている、そして、前記複数の単色光について、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率を、複数の単色光以外の他の波長域での回折効率は考慮しないで、所定値（例えば、70パーセント（これは図15における悪化の程度より良い値である））以上に高めたことを特徴とする。本発明の考え方は、複数の単色光を含む波長範囲全体で回折効率を改善しようとする考え方は捨てて、少なくとも離散的な所定の複数の使用波長では回折効率の充分な改善を確保しようとする指針で、上記の如き基本構成を持つ光学素子を設計するものである。
【００１６】
また、上記課題に鑑み、本発明の光学素子は、複数の単色光を屈折させるための1つの回折面を有した光学素子である。そして、第1の波長λ1の単色光結像時の使用回折次数をm1、第2の波長λ2の単色光結像時の使用回折次数をm2、第3の波長λ3の単色光結像時の使用回折次数をm3とするとき、次の式（2−1）、（2−2）の両式を満たすことを特徴とする。
【００１７】
【数２】
2007122828.tif 000004
【００１８】
このことにより、前記複数の単色光において、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率がピーク値をとるようにする。そして、前記複数の単色光について、夫々、使用回折次数の回折光の回折効率を、複数の単色光以外の他の波長域における回折効率は考慮しないで、所定値（例えば、70パーセント）以上に高めている。ここでも、上記本発明の考え方に基づいて、上記の如き単層回折格子を備える基本構成を持つ光学素子を設計するものである。
【００１９】
また、上記課題に鑑み、本発明の光ピックアップ装置は、上記の光学素子を、光ピックアップ用の結像光学素子または光束をコリメート光束とするコリメータ光学素子として使用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、使用する複数の単色光の波長においてのみ回折効率が充分改善すれば他の波長域における回折効率の悪化は特に問題とする必要が無いという考え方を基に、使用目的に応じた光学性能を持つように光学素子を設計している。したがって、複数色の単色光を使用する光ピックアップ装置などに本光学素子を使用した場合に、これら複数色の単色光では回折効率が充分良好な光学素子となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図に沿って説明する。
【００２２】
（第1実施例）
図面を参照して、まず、本発明の第1実施例に係る光ピックアップ装置の具体的な構成を説明する。本実施例の光ピックアップ装置用光学系は、次のいずれで構成してもよい。光源からの発散光束をほぼ平行光に変換するためのコリメータと該平行光を光情報記録面に集光するための対物レンズで構成してもよい。また、光源からの発散光束の角度を発散光束または収束光束に変換するための変換レンズ（カップリングレンズ）と変換レンズからの光束を光情報記録面に集光するための対物レンズで構成してもよい。更には、光源からの発散光束を光情報記録面に集光するための対物レンズ（有限共役型対物レンズ）のみで構成してもよい。
【００２３】
図1に示す光ピックアップ装置は、第1の光ディスク再生用の第1光源である半導体レーザ11と、第2と第3の光ディスク再生用の第2と第3の光源を有したハイブリッド半導体レーザ12を有している。一方の光源11は、波長400nmのレーザ光を射出する。第1の光ディスクを再生する場合、第1の半導体レーザ11からビームを出射する。出射された光束は、両半導体レーザ11、12からの出射光の合成手段であるビームスプリッタ7を透過し、偏光ビームスプリッタ6、コリメータ2、不図示の1／4波長板を透過して円偏光の平行光束となる。この光束は絞り3によって絞られ、対物レンズ1により、第1の光ディスク20の透明基板21を介して情報記録面22に集光される（図1において、この光束を実線で示す）。そして、情報記録面22で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ1、絞り3、1／4波長板（不図示）、コリメータ2を透過して、偏光ビームスプリッタ6に入射する。ここで、光束は反射して、不図示のシリンドリカルレンズにより非点収差が与えられ、光検出器13上へ入射する。こうして、光検出器13の出力信号を用いて、第1光ディスク20に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００２４】
また、光検出器13上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出に基づいて、不図示の2次元アクチュエータが、第1の半導体レーザ11からの光束を第1光ディスク20の記録面22上に結像させる様に対物レンズ1を移動させる。これと共に、この2次元アクチュエータは、半導体レーザ11からの光束が所定のトラックに結像する様に対物レンズ1を移動させる。
【００２５】
第2の光ディスクを再生する場合、ハイブリッド半導体レーザ12の第2の光源から波長650nmのビームを出射する。出射された光束は、光合成手段であるビームスプリッタ7で反射される。そして、上記第1半導体11からの光束と同様、偏光ビームスプリッタ6、コリメータ2、不図示の1／4波長板、絞り3、対物レンズ1を通って、第2の光ディスク20の透明基板21を介して情報記録面22に集光される（図1において、この光束を一点鎖線で示す）。ここで、情報記録面22の情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ1、絞り3、不図示の1／4波長板、コリメータ2、偏光ビームスプリッタ6、不図示のシリンドリカルレンズを介して、光検出器13上へ入射する。こうして、光検出器13の出力信号を用いて、第2光ディスク20に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００２６】
また、第1の光ディスクの場合と同様、光検出器13上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、不図示の2次元アクチュエータにより、合焦、トラッキングのために対物レンズ1を移動させる。第3の光ディスクを再生する場合、第2の光ディスクを再生する場合と同様にハイブリッド半導体レーザ12の第3の光源から波長780nmのレーザ光を出射する。そして、同様の光路により、光検出器13でビーム検知及び合焦検出やトラック検出を行い、不図示の2次元アクチュエータにより、合焦、トラッキングのために対物レンズ1を移動させる。
【００２７】
上記の透明基板21の厚みは、第1、第2、第3の光ディスクによりそれぞれ規格化された厚みがあることは、背景技術の所において既に説明した通りである。すなわち、HD-DVD規格では、夫々、0．6mm（ブルーレーザ）、0．6mm（赤色レーザ）、1.2mm（赤外レーザ）であり、Blu-ray規格では、夫々、0．1mm（ブルーレーザ）、0．6mm（赤色レーザ）、1.2mm（赤外レーザ）である。
【００２８】
図2は、対物レンズ1の少なくとも1面が有している回折格子22の形状を説明した説明図である。図2(a)は、回折格子22を光軸（図1の符号4で示す）の方向から見たときの格子輪帯23を示し、図2(b)、図2(c)は、夫々、異なる積層形態の回折格子の断面形状を示している。
【００２９】
回折格子は、分散特性が一般的なガラス等の光学材料による特性と大幅に異なる特性を有していることが特に注目される。具体的には、アッベ数νd及び部分分散比θgFは、次の式（3−1）、（3−2）に示す様に負の値をとり得る。
【００３０】
【数３】
2007122828.tif 000005
【００３１】
従って、色収差の制御に非常に効果的である。本実施例においては、405nm、650nm、780nmという可視域を超えた広い波長域について色収差を制御するためにも回折格子を利用する。
【００３２】
図2(a)に示す回折格子22は、光軸に対して径方向に格子のピッチを変化させることで、回折による屈折のパワーを変化させることが出来る。従って、格子のピッチを径方向の位置によって変化させることによって、非球面の効果を持たせることも可能である。図2(b)は、ベースの回折格子25に空気間隔26を空けて回折格子24を設けたタイプの積層回折格子を示す。回折格子25と回折格子24は異なる材質により作成されており、通常はどちらかの格子または両方の格子を紫外線硬化樹脂等で作成する。
【００３３】
また、図2(c)に示す積層形態では、回折格子28はガラスモールドまたはプラスチックモールドにて作成し、回折格子27は、紫外線硬化樹脂または硬化温度が回折格子28の材料より低いガラスまたはプラスチックを成型にて作成している。このタイプは、図2(b)の様な配置の追い込み等が必要ないため、比較的安価に作成可能である。すなわち、図2(b)と図2(c)のいずれの積層形態でも、2つの回折格子は等しいピッチ分布を有し、対応する部位が対向して形成されるが、これの実現が図2(c)に示す積層形態では比較的容易である。この対応する形態は基本的に図17に示した従来例と同じである。
【００３４】
こうした形態で作成されているので、2つの回折格子よりなる構造を一体と考えて、回折光学素子に入射した光が実質的に同時に変調されるとして、その位相シフト作用を特徴付ける位相振幅は両回折格子での位相シフト作用の和として考えることができる。したがって、一体構造と考えられる2つの回折格子について、上記式（1）を適用して回折効率を求めることができる。本実施例では、上記した3つの波長において、夫々、回折次数、各回折格子の格子厚、各層の材質がどの様なものであれば回折効率がピーク値をとるかを、3つの波長について作成した複数の式（1）を利用して求める。回折次数は3つの波長で同じでもよいし異なってもよいが、勿論、各回折格子の格子厚、各層の材質などは3つの波長で共通である。
【００３５】
複数の波長のみで回折効率が改善すれば他の波長域での回折効率の悪化は特に問題とする必要がないと言う本発明の考え方に基づいて、上記基本構成の本実施例の回折光学素子において満足すべく必要条件を上記の導出方法で求めた結果が以下の条件式である。
【００３６】
ここで、青色レーザの波長をλ1、赤色レーザの波長をλ2、赤外レーザの波長をλ3、波長λにおける第1の材質（回折格子24または27の材質）の屈折率をn1（λ）、波長λにおける第2の材質（回折格子25または28の材質）の屈折率をn2（λ）とする。また、m1をブルーレーザ使用時の回折次数、m2を赤色レーザ使用時の回折次数、m3を赤外レーザ使用時の回折次数とし、積層される第1の材質（回折格子24または27の材質）の換算アッベ数νを次の式（4−1）で表す。
【００３７】
【数４】
2007122828.tif 000006
【００３８】
このとき、本実施例の回折光学素子において、式（4−2）で表される第2の材質の回折格子25または28の格子厚dとνの組み合わせが、λ1、λ2、λ3において回折効率がピーク値をとる必要条件となる。そして更に、このピーク値が所定値（例えば、70パーセント）以上になる様にする。
【００３９】
図3は、オハラのガラステーブルーから上記式（4−1）のνを算出したグラフを示している。図3より明らかな様に、νの存在範囲は7〜30程度であり、低屈折率または低分散になるほど選択可能材料が少なくなる。
【００４０】
実際には第1の材質は、上記の様に、紫外線硬化樹脂等の特殊な材料を使用する場合が多く、この場合、第1の材料の換算アッベ数νは限定された値をとることになる。また、dの値としては光路長にして0.28λ以内の光路変化を与えることで、回折効率のピーク位置をわずかに変化させる微妙なチューニングが可能である。
【００４１】
本実施例において、第1の材質としてν＝8.57、n(650nm)＝1.62863の紫外線硬化樹脂の材料を使用し、第2の材質として紫外線硬化樹脂C001（大日本インキ（株）製の商品名）を使用した場合、次の様になる。すなわち、n2（405nm）＝1.541685543、n2（650nm）＝1.52139598、n2（780nm）＝1.517681808となる。また、m1＝7、m2＝8、m3＝9の場合、第2の材質の回折格子25または28の厚みdが110.23μm、第1の材質の回折格子24または27の厚みが82.12μmの時、各使用波長において回折効率がピーク値をとる構成が存在する。実際にはm1、m2、m3は整数であるため、この値を変化させながら使用する3波長における回折効率がピーク値となる構成を探索することで回折次数を決定している。
【００４２】
図4は、上記の構成を取った場合の回折効率を示したグラフである。横軸が波長、縦軸が回折効率であり、回折次数毎にラインが書かれている。グラフからも分かる様に、ライン41（m1）の7次の回折光により波長405nmで96.7%の回折効率が得られ、ライン42（m3）の9次の回折光により波長650nm
で100%の回折効率が得られ、ライン43（m2）の8次の回折光により波長780nm で99.9%の回折効率が得られる。
【００４３】
また、図4に示されている様に、上記の波長以外の部分にピークを有する回折光が存在することが分かる。例えば、ライン44は10次の回折光であり、波長520nm付近にピークを有している。しかし、レーザは波長405nm、650nm、780nmの3波長のみの発光であり、別の波長にピークを有していても全く問題とならない。なお、その他の次数の回折効率も示してあるが、これらも問題にはならない。
【００４４】
実際の対物レンズの設計では、波長405nmのレーザ光においては7次の回折光、波長650nmのレーザ光においては9次の回折光、波長780nmのレーザ光においては8次の回折光にて最適な光学性能が得られる様に目的に応じて設計する必要がある。
【００４５】
また、図4においては回折効率が改善する構成を1つ示したが、別の例として1次回折光のみを使用する場合も有り得る。この場合には、第1の材質の格子厚＝12.2μm、第2の材質の格子厚＝9.1μmとすることで、回折効率は405nmにおいて83.3%、650nmにおいて100%、780nmにおいて95.5%となる。このとき、回折効率のピークの次数はすべて1次回折光である。405nmにおける83.3%の回折効率の悪化が許容可能であれば、これも1つの解となる。
【００４６】
（第2実施例）
図5は本発明の第2の実施例の回折格子の形状を示した説明図である。図5(a)は回折格子52を光軸方向から見たときの輪帯53を示している。図5(b)は断面形状を示している。図5に示した様に、本実施例の回折光学素子は単層54の回折格子52を有する。
【００４７】
単層の回折格子においては、同一次数の回折光を使用した場合には、設計波長において最大の回折効率を有するが、波長が設計波長からずれるに従って回折効率は悪化する。
【００４８】
本実施例においては、m1を第1の波長λ1のレーザ光結像時の使用回折次数、m2を第2の波長λ2のレーザ光結像時の使用回折次数、m3を第3の波長λ3のレーザ光結像時の使用回折次数とした時、次の条件を満足させる。すなわち、上記式（2−1）、（2−2）を満たすことにより使用レーザ波長における回折光の回折効率を高める。本実施例でも、第1実施例と同様に、3つの波長において、夫々、回折次数、回折格子の格子厚、層の材質をどの様なものであれば回折効率がピーク値をとるかを上記式（1）を利用して求める。その結果が式（2−1）、（2−2）を満足することである。
【００４９】
図6は、λ1＝405nm、λ2＝650nm、λ3＝780nmとした時、上記式（2−1）、（2−2）の存在範囲を示したグラフである。図6において、横軸は波長405nmにおける使用回折次数（m1）、縦軸はm2またはm3の使用回折次数を示している。グラフにおけるライン61は上記式（2−1）を満たすm2の範囲の中央値、ライン62は上記式（2−2）を満たすm3の範囲の中央値を示している。m1、m2、m3は整数値であるため、グラフ上の○で囲った部分が式（2−1）、（2−2）を満たす範囲となる。
【００５０】
実際にm1＝8、m2＝5、m3＝4の組み合わせを選択すると次の様になる。波長405nmにおける使用回折次数を8次、波長650nmにおける使用回折次数を5次、波長780nmにおける使用回折次数を4次として、格子厚dについて波長780nmにおいてベストとなる値を算出すると、格子厚dは6.109μmとなる。
【００５１】
このときの回折効率を示したグラフが図7である。図7において横軸は波長であり、縦軸は回折効率である。ライン71は8次（m1）の回折光の回折効率、ライン72は5次（m2）の回折光の回折効率、ライン73は4次（m3）の回折光の回折効率を示している。グラフより青色レーザ(λ1＝405nm)の回折効率は100%、赤色レーザ(λ2＝650nm)の回折効率は91%、赤外レーザ(λ3＝780nm)の回折効率は100%となる。全て70%以上であって、満足すべき値である。
【００５２】
本実施例では、単層回折格子52の材質の屈折率について、波長λ1における屈折率n1、波長λ2における屈折率n2、波長λ3における屈折率n3として、換算アッベ数νを下記式（5−1）で定義する時、下記式（5−2）となる材質を使用する。通常、アッベ数はd線波長に対するF線及びC線波長の屈折率により決定される(νd=(nd-1)/(nF-nC)。本発明においては、限定された複数（ここでは3つ）の使用波長λ1、λ2、λ3に対する屈折率が重要となる。したがって本実施例においては、使用波長に対する屈折率により換算アッベ数を(5-1)式として定義する。
【００５３】
【数５】
2007122828.tif 000007
【００５４】
本実施例で使用したガラスの材質は、λ1＝405、λ2＝650、λ3＝780nmを式（5−2）に代入することで換算アッベ数を算出して、ν＝27.1付近の硝材よりHOYAのnBf1（商品名）とした。この硝子材料はガラスモールドに頻繁に使用される材料であり、換算アッベ数ν＝25.2である。
【００５５】
本実施例における単層回折格子の解は、積層構造のものと比較すると若干回折効率は落ちるが、比較的悪化量が小さいため、要求されるスペックによっては充分対応可能である。ただし、使用できる回折次数の組み合わせが限定されるため、多少設計の自由度が小さくなる。
【００５６】
（第3実施例）
図8は本発明の第3の実施例に係る光学素子の説明図である。図8において、図8(a)は回折格子を光軸方向から見たときの異なる回折格子を有しているエリア81、82、83を示している。すなわち、本実施例の光学素子の回折格子では、異なる位相係数（光路差関数係数）の式により表現されるエリア81、82、83が3領域存在する。図8(b)はレンズ85の断面形状を示していて、84は絞り、85は光ディスクを示している。
【００５７】
夫々のエリア81、82、83においては、既に説明した様にNA及び波長が異なることにより、光束が通過する領域が異なっている。すなわち、エリア81は3波長が通過し、エリア82は2波長が通過する。エリア83は1波長が通過する。
【００５８】
図8の構成で、エリア81の領域においては、前記の積層タイプまたは単層タイプの3波長対応の回折格子を設けることで回折効率の改善を行うことが可能である。実際、レーザビームの強度プロファイルは、光軸を中心にピークを有するガウス分布となっており、中央部の光量が最も高くなっているので、この部分の回折効率を改善することは全体としては大きな効果となる。
【００５９】
また、エリア82は2波長について最適な格子厚などの形状とし、エリア83は1波長について最適な形状とすることで、全体として回折効率の改善が可能である。この最適な形状を得る方法も、基本的に式（1）を用いた上記実施例で説明したものと同じである。
【００６０】
本実施例の回折光学素子によれば、各色のレーザ光は1種類の光ディスクの保護層の厚みに対応し、少なくとも2色のレーザ光については異なる厚みの保護層に対応して、保護層を通って所定面に集光される様に容易にできる。また、いずれかの面は異なる非球面係数及び異なる光路差関数係数で表される複数の回折面領域を有している様に容易にできる。
【００６１】
「数値実施例」
以下に、本発明の数値実施例を下記の表を用いて説明する。表1中、rは曲率半径、dは面間隔、nは各波長での屈折率を示す。また、波長により間隔が変化するものについては別表にまとめている。表中、第1面はレンズの光入射側の面、第2面はレンズの光出射側の面、第3面は光ディスクの透明基板の光入射側の面、第4面は光ディスクの透明基板の光出射側の面である。
【００６２】
ここで、光軸からの高さがhとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をX(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をCu、円錐係数をK、4次、6次、8次、10次、12次の非球面係数をA4（A）、A6（B）、A8（C）、A10（D）、A12（E）とする。このとき、非球面形状は以下の式で表される。
X(h)＝Cuh2/(1+√(1-(1+K)Cu2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００６３】
なお、表1における非球面（第1面）の曲率半径は光軸上の曲率半径である。非球面を規定する円錐係数と非球面係数、そして光学素子の第１面に形成された回折レンズ構造を規定する光路差関数係数は、表2に示される。
【００６４】
また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さh、n次(偶数次)の光路差関数係数Cn、波長λを用いて、次の式により定義される光路差関数φ(h)により表す。
φ(h)＝(C1h2＋C2h4＋C3h6＋…)×2π/λ
【００６５】
【表１】
2007122828.tif 000008
【００６６】
図9は、本数値実施例の波長780nm、基板92の厚さ1.2mm、NA0.45におけるレンズ91を介した光路図を示している。図10は、波長650nm、基板102の厚さ0.6mm、NA0.65におけるレンズ101を介した光路図を示している。図11は、波長405nm、基板112の厚さ0.6mm、NA0.65におけるレンズ111を介した光路図を示している。
【００６７】
また、図12は、図9における球面収差を示している。ここで、121は波長780nm、122は650nm、123は405nmにおける球面収差を示している。図12より、780nmについては良好な結像性能を示していることが分かる。図13は、図10における球面収差を示している。図13において、131は650nm、132は780nm、133は405nmを示している。図13より、650nmについては良好な結像性能を示していることが分かる。また、図14は、図11における球面収差を示している。図14において、141は405nm、142は780nm、143は650nmの球面収差を示している。図14より、405nmについては良好な結像性能を示していることが分かる。
【００６８】
この数値実施例において、図9〜図11より明らかな様に、異なる基板厚に対して良好に結像している。また、レンズとディスクの間隔は、780nmの際（図9）の基板厚1．2mmの時が最も狭くなるが、それでも0.54mmあるため充分な量といえる。また、球面収差については、図12〜図14に示した様に各使用波長においては良好な結像性能を示している。
【００６９】
本数値実施例は1次の回折光のみを使用しているため、積層タイプの構成を取る必要がある。これにより、第1実施例の構成の第1、第2の材料を使用した場合には、405nmにおいて、83.3%、650nmにおいて100%、780nmにおいて95.5%の回折効率とすることが可能である。この構成は、第1実施例の説明において最後の箇所で述べたものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】3波長対応光ピックアップの説明図。
【図２】本発明の第1の実施例の積層型回折格子の説明図。
【図３】換算アッベ数のグラフ。
【図４】本発明の第1の実施例の回折効率を説明するグラフ。
【図５】本発明の第2の実施例の単層回折格子の説明図。
【図６】本発明の第2の実施例の回折次数を説明するグラフ。
【図７】本発明の第2の実施例の回折効率を説明するグラフ。
【図８】本発明の第3の実施例の回折面の説明図。
【図９】数値実施例の光路図。
【図１０】数値実施例の光路図。
【図１１】数値実施例の光路図。
【図１２】数値実施例の球面収差図。
【図１３】数値実施例の球面収差図。
【図１４】数値実施例の球面収差図。
【図１５】従来の単層型回折格子の回折効率を説明するグラフ。
【図１６】従来の単層型回折格子の説明図。
【図１７】従来の積層型回折格子の説明図。
【符号の説明】
【００７１】
1、85、91、101、111  回折光学素子（対物レンズ）
11、12  半導体レーザ
20、86、92、102、112  光ディスク
22、24、25、27、28、52  回折格子
【図１】
2007122828.tif 000012
【図２】
2007122828.tif 000013
【図３】
2007122828.tif 000014
【図４】
2007122828.tif 000015
【図５】
2007122828.tif 000016
【図６】
2007122828.tif 000017
【図７】
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【図８】
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【図９】
2007122828.tif 000020
【図１０】
2007122828.tif 000021
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2007122828.tif 000025
【図１５】
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【図１６】
2007122828.tif 000027
【図１７】
2007122828.tif 000028